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Abstract

本发明属于混沌通信载波技术领域，具体为一种宽带白混沌的产生方法以及装置，解决了传统白混沌产生装置结构复杂、成本较高、产生得白混沌带宽单一、可调性不高的问题，所述方法利用VCSEL混沌发生器输出总混沌信号，将总混沌信号经过偏振分束器分为两路光信号，将两路偏振状态调为一致且光频差调在10~20GHz之间，再对两路进行拍频，将拍频之后的光信号分为功率强度相等的两路，再经过相等的光程对两路光信号进行平衡探测，将差值信号转换为电信号。所述装置包括VCSEL混沌发生器、偏振分束器、第一、二偏振光检测器、可调谐偏振控制器、2ⅹ2光纤耦合器和平衡探测器。本发明所述装置结构简单，设备成本较低，而且通过所述方法能实现宽带白混沌带宽调节。

Description

一种宽带白混沌的产生方法以及装置
技术领域
本发明属于混沌通信载波技术领域，具体为一种宽带白混沌的产生方法以及装置。
背景技术
混沌由于其类噪声、伪随机、宽频谱等特性被广泛应用于混沌保密通信（Nature437.7066:343-346.和Physical Review Letters 100.19:194101.）、随机数的产生（Nature Photonics 2.12:728-732. 和Optics Express, 21(17): 20452-20462）、光纤传感与测量（Optics Express 26.6:6962-6972.2018和Optics Express 26.13:17597-.2018）、混沌激光雷达（Electronics Letters 40.2:91.2004和IEEE Journal of QuantumElectronics 40.6:815-820.2004）、密钥分发（Physical Review Letters 108.7:070602.和Optics Express 21.15:17869.）等研究领域。半导体激光器因其结构简单而被广泛应用于混沌信号生成（Optics Letters 19.24:2056.1994），半导体激光混沌的产生方式有光注入（Applied Physics Letters 64.26:3539-3541.1994）、光反馈（Physical ReviewLetters 55.17:1711-1714.1985）、光电反馈（IEEE Journal of Quantum Electronics37.3:0-336.2001）。
外腔反馈半导体激光器就是通过光反馈来产生混沌信号的，但其产生的混沌信号有弛豫振荡、反馈时延两个特征。弛豫振荡导致混沌信号的有效带宽受限，限制了通信的速率，反馈时延降低混沌保密通信的安全性。为此很多人在增大带宽提高混沌信号速率，以及抑制时延特征的方案上做了很多工作。
混沌信号通过光注入的方式产生，可以增大混沌带宽，如太原理工大学课题组利用非锁定式光注入的方法实现了17GHz的混沌带宽增强（IEEE Photonics TechnologyLetters, 20(19):1633-1635.），日本的Atsushi Uchida同样利用非锁定式光注入的方式实现了12GHz的混沌带宽增强（Optics Express,17(22):19536-43.）。但是光注入进行带宽增强仍然不能完全解决其带宽受限于弛豫振荡的问题。为此，需要增添后处理的过程来实现减弱甚至消除弛豫振荡特征，太原理工大学课题组利用光纤环振荡器实现了平坦度+1.5dB，带宽为26.5GHz的宽带混沌光（Applied Physics Letters, 102(3):031112.），太原理工大学课题组利用延时自干涉方法得到（Optics Express, 2013, 21(7): 8701-8710），太原理工大学课题组在延时自干涉的基础上利用光外差法得到了消除时延特征，频谱平坦的白混沌信号（arXiv preprint arXiv: 1401.6620, 2014）。
白混沌有带宽大、频谱平坦、无时延特征、幅值分布对称的特点。白混沌克服了外腔混沌激光的缺陷。正是由于白混沌的这些特征，在随机数产生方面，极大的提高了物理随机数的熵源速率，如太原理工大学课题组利用白混沌产生了320Gbit/s的物理随机数（Optics Express 25.4:3153.2017），在雷达探测方面，白混沌提高了雷达的距离分辨率，并提升了雷达的系统的安全性，如太原理工大学课题组利用白混沌增强混沌雷达距离分辨率至0.03cm（IEEE Photonics Technology Letters 29.20:1723-1726.2017）。传统的白混沌的产生方式是两个混沌半导体激光器经过3dB耦合器进行拍频，在经过光学外差法提取出白混沌信号（CN103368653A.2013-10-23）。这种产生白混沌的装置结构复杂，设备成本较高，产生的白混沌带宽单一，可调性不高。
发明内容
本发明的目的在于解决传统白混沌产生装置结构复杂、成本较高、产生得白混沌带宽单一、可调性不高的问题，提供了一种宽带白混沌的产生方法以及装置。
本发明解决其技术问题的技术方案是：一种宽带白混沌的产生方法，利用VCSEL混沌发生器输出总混沌信号，将总混沌信号经过偏振分束器分为两路光信号，先将两路光信号的偏振状态调整为一致且两路光信号的光频差调整在10~20GHz之间，然后将两路混沌信号进行拍频，将拍频之后的光信号分为功率强度相等的两路，再经过相等的光程对两路光信号进行平衡探测，提取两路光信号的差值信号并将差值信号转换为电信号，所述电信号即为宽带白混沌。
VCSEL混沌发生器输出由X、Y偏振光形成的圆偏振光，且X、Y偏振光的中心频率有一定差值，再将圆偏振光经过偏振分束器进行分离就产生了X偏振模式的混沌信号和Y偏振模式的混沌信号，然后将两路光信号的偏振状态调整为一致且两路光信号的光频差调整在10~20GHz之间为拍频做准备，增大了低频能量，消除了频谱上的弛豫振荡特征，使得频谱变得宽而且平坦，带宽增大。将两路偏振状态一致的光信号的光频差调整在10~20GHz之间的不同值能够得到不同带宽的白混沌，所以实现了白混沌带宽可调。
本发明所述的一种宽带白混沌的产生装置，包括VCSEL混沌发生器、偏振分束器、第一偏振光检测器、第二偏振光检测器、2ⅹ2光纤耦合器和平衡探测器，所述VCSEL混沌发生器的输出端通过光纤连接至偏振分束器的入射端，所述偏振分束器的两个岀射端通过光纤分别连接至第一偏振光检测器和第二偏振光检测器的入射端，所述第一偏振光检测器的出射端通过光纤经可调谐偏振控制器连接至2ⅹ2光纤耦合器的一个输入接口，所述第二偏振光检测器的出射端通过光纤连接至2ⅹ2光纤耦合器的另一个输入接口，所述2ⅹ2光纤耦合器的两个输出接口通过等长的两路光纤连接至平衡探测器的两个输入接口，所述平衡探测器的输出接口即为宽带白混沌的输出端。所述装置结构简单，只需要一个混沌发生器即可，设备成本底，通过可调谐偏振控制器能够实现将两路光信号的偏振状态调整为一致且两路光信号的光频差调整在10~20GHz之间，通过可调谐偏振控制器能实现对白混沌的带宽进行实时调节，操作十分方便，可调性高，能够产生宽带白混沌，而且宽带白混沌的带宽丰富，能满足不同的需求。
优选的，连接偏振分束器和2ⅹ2光纤耦合器之间的两路光纤长度相等。这是为了减小误差，提高白混沌的信号质量。
本发明的有益效果是：本发明所述装置结构简单，设备成本较低，而且通过所述方法能实现宽带白混沌带宽调节，可调性高，而且通过本发明所述装置及其方法产生的白混沌频谱平坦、带宽大，无时延，且消除了周期振荡，提高了混沌信号的保密性。
附图说明
图1为本发明所述的一种宽带白混沌的产生装置的结构示意图。
图中：1-VCSEL混沌发生器；2-偏振分束器；3a-第一偏振光检测器；3b-第二偏振光检测器；4-可调谐偏振控制器；5-2ⅹ2光纤耦合器；6-平衡探测器。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其他实施方式，都属于本发明所保护的范围。
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或者暗示相对重要性。
参见附图1，现对本发明提供的一种宽带白混沌的产生方法以及装置进行说明。
一种宽带白混沌的产生方法，利用VCSEL混沌发生器1输出总混沌信号，将总混沌信号经过偏振分束器2分为两路光信号，先将两路光信号的偏振状态调整为一致且两路光信号的光频差调整在10~20GHz之间，然后将两路混沌信号进行拍频，将拍频之后的光信号分为功率强度相等的两路，再经过相等的光程对两路光信号进行平衡探测，提取两路光信号的差值信号并将差值信号转换为电信号，所述电信号即为宽带白混沌。
进一步的，作为本发明所述的一种宽带白混沌的产生方法的具体实施方式，通过可调谐偏振控制器4将两路光信号的偏振状态调整为一致且两路光信号的光频差调整在10~20GHz之间。
VCSEL混沌发生器1输出由X、Y偏振光形成的圆偏振光，且X、Y偏振光的中心频率有一定差值，再将圆偏振光经过偏振分束器2进行分离就产生了X偏振模式的混沌信号和Y偏振模式的混沌信号，然后将两路光信号的偏振状态调整为一致且两路光信号的光频差调整在10~20GHz之间为拍频做准备，增大了低频能量，消除了频谱上的弛豫振荡特征，使得频谱变得宽而且平坦，带宽增大。将两路偏振状态一致的光信号的光频差调整在10~20GHz之间的不同值能够得到不同带宽的白混沌，所以实现了白混沌带宽可调。
一种宽带白混沌的产生装置，包括VCSEL混沌发生器1、偏振分束器2、第一偏振光检测器3a、第二偏振光检测器3b、2ⅹ2光纤耦合器5和平衡探测器6，所述VCSEL混沌发生器1的输出端通过光纤连接至偏振分束器的入射端，所述偏振分束器的两个岀射端通过光纤分别连接至第一偏振光检测器3a和第二偏振光检测器3b的入射端，所述第一偏振光检测器3a的出射端通过光纤经可调谐偏振控制器4连接至2ⅹ2光纤耦合器5的一个输入接口，所述第二偏振光检测器3b的出射端通过光纤连接至2ⅹ2光纤耦合器5的另一个输入接口，所述2ⅹ2光纤耦合器5的两个输出接口通过等长的两路光纤连接至平衡探测器6的两个输入接口，所述平衡探测器6的输出接口即为宽带白混沌的输出端。所述装置结构简单，只需要一个混沌发生器即可，设备成本底，通过可调谐偏振控制器4能够实现将两路光信号的偏振状态调整为一致且两路光信号的光频差调整在10~20GHz之间，通过可调谐偏振控制器4能实现对白混沌的带宽进行实时调节，操作十分方便，可调性高，能够产生宽带白混沌，而且宽带白混沌的带宽丰富，能满足不同的需求。
进一步的，作为本发明所述的一种宽带白混沌的产生装置的具体实施方式，连接偏振分束器2和2ⅹ2光纤耦合器5之间的两路光纤长度相等。这是为了减小误差，提高白混沌的信号质量。
进一步的，作为本发明所述的一种宽带白混沌的产生装置的具体实施方式，所述VCSEL混沌发生器1采用光反馈、光注入、互注入、光电反馈或外部电流调制的方式产生混沌信号。所述VCSEL混沌发生器1采用光反馈、光注入、互注入、光电反馈或外部电流调制的方式均能产生混沌信号，这使得本发明所述方法利用该装置更更加方便得产生宽带白混沌，操作简易。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (5)

1.一种宽带白混沌的产生方法，其特征在于，利用VCSEL混沌发生器（1）输出总混沌信号，将总混沌信号经过偏振分束器（2）分为两路光信号，先将两路光信号的偏振状态调整为一致且两路光信号的光频差调整在10~20GHz之间，然后将两路混沌信号进行拍频，将拍频之后的光信号分为功率强度相等的两路，再经过相等的光程对两路光信号进行平衡探测，提取两路光信号的差值信号并将差值信号转换为电信号，所述电信号即为宽带白混沌。
2.根据权利要求2所述的一种宽带白混沌的产生方法，其特征在于，通过可调谐偏振控制器（4）将两路光信号的偏振状态调整为一致且两路光信号的光频差调整在10~20GHz之间。
3.一种宽带白混沌的产生装置，用于实现如权利要求1或2所述的宽带白混沌的产生方法的装置，其特征在于，包括VCSEL混沌发生器（1）、偏振分束器（2）、第一偏振光检测器（3a）、第二偏振光检测器（3b）、2ⅹ2光纤耦合器（5）和平衡探测器（6），所述VCSEL混沌发生器（1）的输出端通过光纤连接至偏振分束器的入射端，所述偏振分束器的两个岀射端通过光纤分别连接至第一偏振光检测器（3a）和第二偏振光检测器（3b）的入射端，所述第一偏振光检测器（3a）的出射端通过光纤经可调谐偏振控制器（4）连接至2ⅹ2光纤耦合器（5）的一个输入接口，所述第二偏振光检测器（3b）的出射端通过光纤连接至2ⅹ2光纤耦合器（5）的另一个输入接口，所述2ⅹ2光纤耦合器（5）的两个输出接口通过等长的两路光纤连接至平衡探测器（6）的两个输入接口，所述平衡探测器（6）的输出接口即为宽带白混沌的输出端。
4.根据权利要求3所述的一种用于生成白混沌的装置，其特征在于，连接偏振分束器（2）的两个出射端和2ⅹ2光纤耦合器（5）的两个输入接口之间的两路光纤长度相等。
5.根据权利要求4所述的一种用于产生宽带白混沌的装置，其特征在于，所述VCSEL混沌发生器（1）采用光反馈、光注入、互注入、光电反馈或外部电流调制的方式产生混沌信号。
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